ECHIPAMENTE ELECTRICE DE COMANDA SI PROTECTIE DE JOASA TENSIUNE - SIGURANTE FUZIBILE

ECHIPAMENTE ELECTRICE DE COMANDA SI PROTECTIE DE JOASA TENSIUNE

Echipamentele electrice de comanda si protectie de joasa tensiune se construiesc pentru tensiuni nominale ce nu depasesc 1000 V (in curent alternativ) si, respectiv, 1200 V (in curent continuu). Ele se realizeaza intr-o mare varietate de tipuri si dimensiuni si se folosesc pe scara larga atat in centrale si in statii electrice, cat si in instalatii industriale si in sectorul domestic (casnic). In plus, trebuie subliniat ca toate echipamentele electrice folosite in domeniul casnic sunt de joasa tensiune (220 V c.a.).

Dupa forma de variatie in timp se deosebesc echipamentele electrice de curent alternativ (monofazat sau trifazat) si echipamente electrice de curent continuu.

Tensiunile nominale standardizate (pana la 1000 V) in curent alternativ sunt: 24, 48, 127, 220, 380, 500 (660), 1000 V, pe cand cele din curent continuu sunt: 24, 48, 125, 400, 800, 1200 V. Din punctul de vedere al protectiei muncii, echipamentele cu tensiuni nominale mai mari de 42 V sunt considerate ca avand tensiuni periculoase.

Curentii nominali standardizati sunt: 3, 6, 10, 16, 25, 32, 40, 63, 80, 100, 160, 200, 315, 400, 630, 1600, 2000, 2500 si 3150 A. (Pentru secundarele transformatoarelor de masura sunt standardizati curentii cu valori de 1 A si 5 A.)

Echipamentele de comutatie de joasa tensiune se construiesc cu 1, 2, 3 si 4 poli. Primele doua variante (cele monopolare si cele bipolare) sunt destinate sa functioneze atat in curent continuu cat si in curent alternativ monofozat. Variantele tripolare si tetrapolare se construiesc pentru a functiona in curent alternativ trifazat.

In acest capitol vor fi prezentate succint urmatoarele tipuri de echipamente:

- sigurante fuzibile de joasa tensiune (ca elemente de protectie generala);

- contactoare electromagnetice (ca echipamente de comanda folosite in schemele electrice de actionari si automatizari in domeniul curentilor tari);

- intreruptoare automate de putere (ca echipamente cu rol de comutatie si de protectie);

- relee (ca elemente de comanda si semnalizare, folosite atat in schemele electrice de automatizari, cat si in constructia echipamentelor electrice de protectie);

- rezistoare, reostate si controlere (ca echipamente de pornire si comanda, destinate controlului vitezei, curentului si tensiunii motoarelor electrice).

SIGURANTE FUZIBILE

In instalatiile electrice de joasa tensiune sigurantele fuzibile sunt cele mai simple dispozitive de protectie impotriva efectelor supracurentilor (in general) si impotriva curentilor de scurtcircuit (in particular). Rolul functional al oricarei sigurante fuzibile este de a intrerupe curentul in circuitul electric in care aceasta este conectata. Atunci cand curentul depaseste, un anumit timp, o valoare prestabilita, intreruperea circuitului se realizeaza prin topirea (unuia sau) mai multor elemente fuzibile, construite si dimensionate exact in acest scop. In acest context, la trecerea unui curent de scurtcircuit printr-o siguranta fuzibila, prin functionarea sa (adica, prin topirea fuzibilului) se limiteaza atat amplitudinea curentului, cat si durata acestuia. In schimb, daca functionarea ('arderea') sigurantei se produce la suprasarcini, amplitudinea curentului ramane neschimbata, limitandu-se numai durata acestuia.

Utilizarea tot mai diversificata a sigurantelor fuzibile de joasa tensiune (in toate tipurile de echipamente industriale si casnice) a condus la fabricarea lor intr-o mare varietate de tipuri si forme constructive. In acest context, sigurantele fuzibile de joasa tensiune se clasifica in trei categorii principale, si anume:

a sigurante fuzibile de mare putere, utilizate in instalatii industriale cu tensiuni de pana la 1000 V si curenti nominali cuprinsi intre 100 - 1000 A;

b sigurante fuzibile cu filet, folosite in instalatii industriale si casnice, la tensiuni pana la 1000 V si curenti nominali de 6 - 100 A si

c sigurante fuzibile miniatura, folosite in echipamentele de redresare, la aparate radio si TV, la instalatiile electronice si electrocasnice etc., cu tensiuni de pana la 550 V si curenti nominali de 0,1 - 6 A.

Indiferent de tip (sau de categorie), in constructia oricarei sigurante fuzibile se disting urmatoarele parti componente: cartusul (sau carcasa); elementul fuzibil; elementele de contact si mediul de stingere a arcului electric.

1. Functionarea sigurantelor fuzibile

Orice siguranta fuzibila are doua regimuri de functionare, si anume: 1) regimul permanent, cand curentul prin circuitul in care este conectata siguranta este mai mic decat curentul minim de topire (I < I_{min top}) si 2) regimul tranzitoriu de topire, ca regim conditionat de curentii de scurtcircuit (sau de suprasarcina), curenti care depasesc curentul minim de topire (I > I_{min top}).

Fizic, elementul fuzibil al sigurantei este 'ingropat' intr-un mediu de nisip de cuart si se topeste la depasirea valorii curentului I_{min top}, aparand arcul electric, a carui stingere este conditionata de transferul caldurii (prin conductie termica), de la plasma arcului catre granulele de nisip. Din momentul in care firul metalic ajunge in stare lichida, masa de lichid nu mai pastreaza forma geometrica a firului, fiind supusa deformarii, atat din cauza fortelor electrodinamice in bucla parcursa de curent, cat si din cauza fortelor Lorentz din masa de lichid.

Procesul topirii fuzibilului sub actiunea curentului de scurtcircuit este schematizat in fig. Aici sunt ilustrate toate fazele (de la incalzirea solidului si pana la vaporizarea metalului topit), faze care permit evaluarea cu exactitate a duratei fiecarei etape. Astfel:

1. Pe durata intervalului de timp (0 - t₁) are loc incalzirea fuzibilului. Deoarece t₁ este foarte mic (uzual, pana in 5 ms) se poate admite ca in acest interval de timp nu exista schimb de caldura cu exteriorul. Procesul incalzirii fuzibilului de la temperatura θ= 0 la temperatura de topire θ = θ₁ este considerat adiabatic.

2. Pe durata intervalului de timp (t₁ - t₂) fuzibilul se topeste in intregime, iar temperatura se pastreaza constanta, la valoarea θ₁ = θ_top. In acest interval de timp exista in echilibru termic atat metal solid, cat si metal lichid (topit). Prin urmare, toata caldura primita de fuzibil va servi, sub forma de caldura latenta de topire , doar la schimbarea starii de agregare a materialului fuzibilului.

. Pe durata intervalului de timp (t₂ - t₃) metalul lichid se supraincalzeste de la temperatura θ₁ la temperatura de vaporizare θ₂ = θ_vap.

In realitate, arcul electric (in interiorul sigurantei fuzibile) se formeaza intre picaturile de metal lichid, mult mai devreme decat dupa momentul de timp t₃ (si anume, in intervalul de timp t₂ - t₃). Explicatia aparitiei arcului electric mai devreme este data de faptul ca in stare lichida fuzibilul nu isi mai poate conserva forma geometrica.

La protectia contra scurtcircuitelor, timpul scurs intre momentul aparitiei curentului de scurtcircuit si momentul formarii arcului electric (in interiorul sigurantei fuzibile) se numeste 'durata prearc' (t_pa).

Caracteristic pentru functionarea la scurtcircuit a sigurantelor fuzibile este procesul de limitare a curentului electric, atat ca durata, cat si ca amplitudine. Astfel, in fig.3.2.a este ilustrat procesul de limitare a curentului de scurtcircuit simetric, iar in fig.3.2.b este reprezentata limitarea curentului de scurtcircuit asimetric (care are si componenta aperiodica). Pe diagramele din figura s-au facut urmatoarele notatii:

i_p = curentul prezumat, definit ca acel curent care ar fi trecut prin circuit daca siguranta fuzibila ar fi fost inlocuita cu un conductor de impedanta nula;

i_pt = curentul prezumat taiat, definit ca valoarea instantanee a curentului prezumat in momentul aparitiei arculuui electric;

i_l = curentul limitat ce trece prin siguranta fuzibila (ca valoare momentana), dupa amorsarea arcului electric;

i_lt = curentul limitat taiat, definit ca valoarea instantanee maxima a curentului limitat;

t_pa = durata prearc;

t_a = durata de ardere a arcului electric;

t_pa + t_a = durata de functionare a sigurantei fuzibile.

Se constata ca dupa topirea completa a elementului fuzibil (deci dupa aparitia arcului electric) curentul mai creste putin, intrucat rezistenta electrica a arcului este inca mica. In ceea ce priveste durata prearc, aceasta este mai mare in cazul curentului de scurtcircuit asimetric, in comparatie cu scurtcircuitul simetric. Efectul limitativ al sigurantei fuzibile este cu atat mai pronuntat cu cat valoarea nominala a curentului sigurantei este mai mica, iar curentul de scurtcircuit este mai mare. Evident, cu cat limitarea curentului de scurtcircuit este mai prnuntata, cu atat mai mari sunt supratensiunile care apar in circuit.

2. Caracteristica de protectie a sigurantelor fuzibile

Principala caracteristica a unei sigurante fuzibile este caracteristica timp - curent, adica t = f(I). Ea este numita 'caracteristica de protectie' si reprezinta dependenta timpului de actionare al sigurantei fuzibile (t) in functie de valoarea supracurentului (kxI_N) la care fuzibilul actioneaza (se arde). Astfel, in fig.3.3 s-au reprezentat 3 tipuri de caracteristici de protectie, si anume:

- curba 1 reprezinta caracteristica de protectie specifica sigurantelor rapide si corespunde sigurantelor cu fuzibil dintr-un singur metal (Ag, Cu), cu sectiunea uniforma. Sigurantele rapide sunt utilizate pentru protectia circuitelor fara varfuri mari de sarcina (cabluri, conductoare pentru iluminat etc.);

- curba 2 reprezinta caracteristica de protectie specifica sigurantelor lente (cu inertie, prin diferite metode), utilizate la protectia circuitelor cu varfuri de curent (a motoarelor electrice, a transformatoarelor electrice etc.);

- curba 3 reprezinta caracteristica de protectie tipica sigurantelor ultrarapide, realizate dintr-un singur material (cu gatuituri si perforatii). Acestea sunt destinate protectiei elementelor semiconductoare (si a echipamentelor cu semiconductoare).

Determinarea caracteristicii de protectie corespunzatoare unui tip de siguranta fuzibila se face prin incercari (in curent continuu), pornind de la starea rece a fuzibilului, iar durata (timpul) de topire se considera prin valoarea medie a masuratorilor (de la mai multe incercari experimentale succesive).

Protectia instalatiilor electrice cu ajutorul sigurantelor fuzibile se face confruntand 'caracteristica termica' a echipamentului protejat cu 'caracteristica de protectie' a sigurantei alese. Caracteristica termica a unui echipament (dintr-o instalatie electrica) este curba care reprezinta dependenta dintre timpul in cursul caruia temperatura partii celei mai incalzite (a echipamentului) atinge valoarea limita admisibila _adm si valoarea intensitatii supracurentului (kxI_N) care o produce.

In fig.3.4, in 'zona' 1 se afla caracteristica termica a echipamentului protejat, iar in 'zona' 2 se afla caracteristica de protectie a sigurantei fuzibile alese. Pozitionarea ilustrata in fig.3.4 (unde zona 2 este mereu sub zona 1) caracterizeaza o buna protectie a echipamentului electric avut in vedere. Punctele care determina caracteristicile 'termica' si 'de protectie' sunt cuprinse in interiorul ariilor hasurate, ele fiind stabilite ca medii ale multor determinari experimentale. Din cauza erorilor de masurare si de calibrare a elementelor fuzibile, cat si datorita variatiei temperaturii mediului ambiant se impune ca, intotdeauna, caracteristica de protectie a sigurantei fuzibile sa nu fie prea apropiata de caracteristica termica a echipamentului protejat si, in nici un caz, cele doua caracteristici nu trebuie sa se intersecteze !!!

3. Constructia sigurantelor fuzibile

Din punct de vedere constructiv, sigurantele fuzibile se executa in doua variante: 1) deschise, cand arcul electric este stins in aer liber si 2) inchise, atunci cand arcul electric este stins intr-un tub (din fibra sau din portelan) inchis la capete, cu sau fara umplutura de nisip.

Evolutia constructiva a sigurantelor fuzibile este prezentata in figura 3.5.

Primele sigurante s-au realizat in constructie deschisa, fuzibilul fiind alcatuit dintr-un fir de plumb (sau aliaje ale plumbului cu staniu), zinc, cupru sau argint (fig.3.5a). Fuzibilele realizate din metale cu punct de topire scazut (plumbul avand punctul de topire la 200 gradeC, iar zincul la 420 gradeC) permit ca temperatura totala a sigurantei sa fie mentinuta la un nivel scazut. Pe de alta parte, un astfel de fuzibil, cu o conductivitate electrica relativ mica, in cazul curentilor mari trebuia sa aiba o arie mare a sectiunii transversale, necesitand un volum mare de material.

Urmatoarea etapa in constructia sigurantelor a constat in realizarea elementelor fuzibile din fire de cupru sau argint, introduse in interiorul unor tuburi dielectrice deschise la capete (fig.3.5b). In comparatie cu plumbul si zincul, fuzibilele din cupru si argint pot fi realizate cu sectiune transversala mai mica. In schimb, ele se caracterizeaza printr-o temperatura de topire ridicata si, in consecinta, sigurantele sunt supuse unei cresteri inalte a temperaturii. Folosirea a doua sau mai multe fuzibile in paralel determina cresterea suprafetei de racire a fuzibilului si asigura utilizarea mai eficienta a sigurantei.

Pentru cresterea puterii de rupere, s-au dezvoltat sigurantele fuzibile inchise la capete, fara material de umplutura (fig.3.5c), sau umplute cu nisip de cuart (fig.3.5d). Nisipul de cuart are un puternic efect de racire a coloanei arcului si favorizeaza deionizarea si stingerea rapida a arcului electric. Cresterea in continuare a puterii de rupere si a rapiditatii de actionare a sigurantelor fuzibile cu umplutura de nisip a fost posibila numai prin inlocuirea firelor rotunde cu benzi subtiri, gatuite, din cupru sau argint (fig.3.5e). In constructia sigurantelor ultrarapide s-a impus fuzibilul de tip 'sita' (fig.3.5f), format dintr-o banda fuzibila in care s-au practicat perforatii, aliniate in siruri longitudinale si transversale. Practic, in acest mod se obtin mai multe intreruperi in serie, ceea ce provoaca o crestere rapida a caderii de tensiune in arc, limitand, astfel, extinderea si durata arcului electric.

Capacitatea de intrerupere a curentilor de suprasarcina, cand siguranta nu are un efect limitativ, se obtine prin mai multe metode: prin desprindere mecanica, prin efect metalurgic sau prin efect chimic. Astfel, in fig3.6a este reprezentat un element fuzibil cu desprindere mecanica, folosit la sigurantele cu ruperea arcului in aer. La trecerea unui curent de suprasarcina de durata, caldura degajata produce topirea aliajului 3, care initial era lipit de piesa cu mare capacitate calorica 2 si realiza legatura dintre cele doua fire fuzibile, 1 si 1'. Dupa aceea, resortul 4, tensionat, va indeparta elementul fuzibil 1' din pozitia initiala, determinand formarea arcului de intrerupere. Topirea fuzibilului la o temperatura redusa se poate obtine si pe baza fenomenului numit 'efect metalurgic' (fig.3.6b). Pentru declansarea acestui fenomen este necesar ca pe elementul fuzibil 6, realizat dintr-un material cu punct de fuziune ridicat, sa se prinda, prin lipire, o mica picatura 5 dintr-un aliaj eutectic de Pb, Sn. In cazul unor suprasarcini, atunci cand se atinge temperatura de topire a picaturilor, acestea se topesc si dizolva metalul elementului fuzibil in punctul de lipitura, la temperaturi inferioare temperaturii de topire a elementului fuzibil. Procesul de difuzie a metalului picaturii se intensifica odata cu cresterea incalzirii, producandu-se o evolutie in avalansa, iar arcul care ia nastere in zona picaturii topeste si restul fuzibilului. Similar poate fi folosit si 'efectul chimic' (asemanator 'efectului metalurgic') la obtinerea inertiei termice a fuzibilelor.

In continuare vor fi prezentate tipurile reprezentative de sigurante fuzibile de joasa tensiune.

1. Sigurante cu filet. Au o capacitate medie de rupere si sunt folosite atat in instalatiile casnice, cat si in cele industriale. Sunt caracterizate de tensiuni nominale de maxim 1000 V si curenti nominali de 10 - 100 A. Sigurantele cu filet pot fi de tipul LS (legatura spate), montate pe panouri izolante si prevazute cu suruburi de contact, de tipul LF (legatura fata), la care bornele de contact sunt accesibile prin partea din fata a panoului, acoperite cu un capac demontabil de portelan si de tipul LFI, pentru instalatii industriale. Ele sunt formate din soclu, patron si capac filetat.

2. Sigurante cu element inamovibil. Au curentul nominal in plaja 100-600 A si sunt folosite in circuite de putere cu tensiuni de pana la 500 V c.a. si 440 V c.c. Se caracterizeaza prin efectul de limitare a curentului si printr-o mare capacitate de rupere (pana la 50 kA).

O astfel de siguranta este reprezentata in figura 3.7. Carcasa 1 este realizata din portelan emailat de inalta tensiune si contine un ansamblu constand din elementele fuzibile 2, sudate prin puncte pe discurile care poarta lamelele de contact 3. Tot ansamblul este fixat prin capacele 4, prinse cu suruburi de carcasa, mansoanele de azbest 5 fiind plasate sub capace, pentru a asigura o etansare corespunzatoare. Carcasa este umpluta cu nisip de cuart (curat si uscat), inconjurand fuzibilul pe toata lungimea lui. Mansoanele de azbest previn patrunderea umiditatii in carcasa si absorbtia ei de catre nisip. Elementul fuzibil consta din mai multe benzi de cupru, cu grosime de 0,15-0,35 mm si latime de pana la 4 mm, prevazute cu decuparile 7 (care reduc aria sectiunii transversale a fuzibilului). Utilizarea mai multor benzi in paralel permite dezvoltarea unor arcuri electrice mai mici, arzand in paralel, care (in acest fel) asigura o mai buna disipare a energiei arcului in volumul de nisip.

Efectul metalurgic, produs de picatura de staniu 8 (lipita pe fiecare banda a fuzibilului), este utilizat pentru scaderea temperaturii sigurantei in cazul suprasarcinilor mici. Drept rezultat, punctul de topire al benzii scade la 475gradeC, iar cresterea de temperatura a sigurantei ramane in limite acceptabile.

. Sigurante ultrarapide cu element inamovibil. Au o capacitate mica de rupere si sunt utilizate la tensiuni de pana la 550 V, avand curentii nominali in plaja 0,1 - 40 A (curentul prezumat intrerupt fiind mai mic de 2 kA).

Sunt in constructie deschisa sau inchisa si au fuzibilul cu sectiunea variabila (in concordanta cu caracteristica de protectie ceruta). Sunt folosite pe autovehicule, la protectia circuitelor de comanda si de automatizare, pentru protectia instalatiilor cu dispozitive semiconductoare etc. In cazul redresoarelor, sigurantele pot fi instalate atat pe partea de c.a. (cu U_N 380 V), cat si pe partea de c.c. (cu U_N 400 V

4. Sigurante cu mare putere de rupere (MPR). Se construiesc cu tensiuni nominale de pana la 1000 V si curenti nominali in domeniul 100 - 1000 A.

Din fig.3.8 se constata ca banda fuzibila 3 prezinta mai multe locuri inguste (sectiuni diminuate), care constituie zonele (a) in care banda fuzibila se va topi la trecerea curentului de scurtcircuit. In zona centrala (b) se depune pe banda fuzibila un aliaj eutectic de staniu-plumb 6, pentru obtinerea efectului metalurgic. In aceasta zona, banda se va topi la trecerea unui curent de suprasarcina de (1,5 - 10)I_N, fara insa a limita amplitudinea curentului, dupa o caracteristica dependenta. In schimb, curentul de scurtcircuit va fi limitat (ca amplitudine) prin topirea elementului inlocuitor. Elementul inlocuitor se introduce in contactele fixe prin cutitele de contact 1 si 2. Elementul fuzibil 3 este inconjurat de nisipul de cuart 5, introdus prin vibrare in carcasa din material plastic 4. Introducerea si scoaterea elementului fuzibil in/din suport se realizeaza cu ajutorul unui maner izolant detasabil.

Sigurantele MPR se construiesc pentru curenti nominali de 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500 si 630 A c.a. si, respectiv, pentru 250 si 400 A c.c.

((((((((((((((((((((((((((((((((((Aici blonda 3)))))))))))))))))))))))

4. Calibrarea sigurantelor

Protectia cu sigurante se bazeaza pe efectul Joule la trecerea curentului electric prin fuzibil. In acest context se definesc urmatoarele valori ale curentului:

. Curentul nominal (al sigurantei fuzibile) este acea valoare a intensitatii curentului la care fuzibilul poate functiona timp nelimitat, fara a se topi;

2. Curentul minim de topire reprezinta valoarea minima a intensitatii curentului care, trecand prin fuzibil, ii produce topirea (in regim permanent).

La orice siguranta fuzibila de joasa tensiune, intre cei doi curenti exista relatia:

Calibrarea sigurantelor (adica stabilirea valorii curentului , cat si alegerea lor) se face in raport de categoria consumatorului protejat si de valoarea caracteristica a curentului consumatorului.

1. Pentru protectia liniiilor electrice aeriene care alimenteaza consumatori casnici, curentul I_{n sig} trebuie ales mai mic decat curentul nominal I_nL al liniei pentru regimul permanent de functionare, utilizandu-se relatia:

(3.1)

dupa care, se alege siguranta cu valoarea standardizata cea mai apropiata.

2. Pentru protectia motoarelor electrice se are in vedere supracurentul de pornire I_p. Astfel, in cazul pornirilor usoare se recomanda ca:

(3.2)

pe cand in cazul motoarelor electrice cu porniri grele trebuie ca:

(3.3)

3. Pentru protectia condensatoarelor destinate imbunatatirii factorului de putere se recomanda relatia:

(3.4)

4. Pentru protectia elementelor semiconductoare se utilizeaza, in exclusivitate, numai sigurante ultrarapide, recomandandu-se relatia de calcul:

(3.5)

In mod practic, la fiecare din cazurile prezentate mai sus, siguranta se alege (din seria constructiva de sigurante fuzibile) ca avand valoarea normalizata (standardizata) a curentului cat mai apropiata de valoarea calculata cu relatiile de aproximare.

In general, folosirea sigurantelor fuzibile prezinta o multitudine de avantaje tehnico-economice. Astfel, sigurantele fuzibile sunt cele mai ieftine echipamente de protectie, nu necesita intretinere, nu prezinta pericol de explozie sau incendiu, realizeaza intreruperea unui circuit electric mai rapid decat intreruptoarele, limitand valoarea curentului de scurtcircuit. In acelasi timp, principalele dezavantaje ale utilizarii sigurantelor fuzibile sunt: timpul relativ mare pentru inlocuirea fuzibilului, o caracteristica de protectie nereglabila si necontrolabila, o functionare influentata de temperatura mediului ambiant (si de starile anterioare producerii scurtcircuitului), riscul deconectarii doar a unei singure faze etc.

Cu toate acestea protectia cu sigurante fuzibile a instalatiilor, a motoarelor si a echipamentelor electrice are o puternica sustinere economica, in unele cazuri ele putand inlocui aparate electrice sofisticate si mult mai costisitoare.